- •Глава I. Механика 7
- •Глава II. Общая и медицинская электроника 14
- •Глава III. Оптика 67
- •Глава IV. Физика атомов и молекул 124
- •Глава V. Ионизирующие излучения 142
- •Предисловие
- •Методические указания
- •Глава I. Механика Лабораторная работа № 10 определение моментов инерции с помощью крутильного маятника
- •Теоретическая часть Момент инерции
- •Теория подобия
- •Экспериментальная часть Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Глава II. Общая и медицинская электроника
- •Теоретическая часть Полупроводники
- •Полупроводниковый диод (p-n переход)
- •Физические основы работы транзистора
- •Характеристики транзистора
- •Устройство и применение транзистора
- •Практическая часть Описание установки
- •При выполнении работы необходимо соблюдать следующие правила:
- •Включать и выключать напряжение на коллекторе uэк можно только при наличии напряжения на базе uэб.
- •Напряжение на базе uэб не должно превышать 2 в.
- •Напряжение на коллекторе uэк не должно превышать 12 в.
- •Определение цены деления измерительных приборов
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическая часть Термометрия
- •Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры
- •Термометры сопротивления. Терморезисторы (термисторы)
- •Контактная разность потенциалов. Термоэдс
- •Термопара
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемая и использованная литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 13 принцип работы генератора электромагнитных колебаний. Лечебное применение переменного электрического тока
- •Теоретическая часть Введение
- •Колебательный контур. Формула Томсона
- •Получение незатухающих колебаний в контуре
- •Принцип работы генератора электромагнитных колебаний на транзисторе
- •Амплитудно-модулированные синусоидальные сигналы
- •Лечебное применение переменного электрического тока Методы лечебного применения импульсного и переменного электрического тока
- •Физические процессы в тканях при воздействии переменным и импульсным электрическим током
- •Пороговые значения переменного тока
- •Низкочастотная электротерапия
- •Первичные механизмы действия переменных электрических токов в физиотерапевтических процедурах
- •Назначение и блок-схема аппарата «Амплипульс-5»
- •Практическая часть Описание установки. Вывод расчетных формул
- •Порядок выполнения работы
- •Часть I Определение индуктивности катушки и емкости конденсатора с помощью генератора электромагнитных колебаний
- •Часть II Изучение режимов работы аппарата для низкочастотной терапии «Амплипульс-5».
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Глава III. Оптика Лабораторная работа № 14 полупроводниковый фотоэлемент и его применение для измерения освещенности
- •Теоретическая часть Фотоэффект и его применение.
- •Фотометрические величины и единицы. Принцип действия люксметра
- •Практическая часть Градуировка микроамперметра
- •Измерение освещенности с помощью полупроводникового фотоэлемента.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15
- •На этих свойствах основано применение лазеров. Применение лазеров в медицине
- •Дифракция света на щели
- •Дифракционная решетка
- •Практическая часть Определение длины волны лазерного излучения
- •Определение постоянной дифракционной решетки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 16 свойства поляризованного света. Использование поляризованного света в медицине
- •Теоретическая часть Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса
- •Применение поляризованного света в медицине. Аппарат светолечения «Биоптрон»
- •Практическая часть Изучение свойств поляризованного света
- •Изучение работы аппарата «Биоптрон»
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 17 концентрационная колориметрия
- •Теоретическая часть Закон поглощения света
- •Спектры поглощения
- •Оптическая плотность
- •Применение закона поглощения света
- •Практическая часть Описание установки
- •Порядок выполнения работы Исследование зависимости оптической плотности раствора от длины волны
- •Исследование зависимости оптической плотности от концентрации раствора
- •Определение неизвестной концентрации раствора
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Глава IV. Физика атомов и молекул Лабораторная работа № 18 изучение спектра атома водорода
- •Теоретическая часть Основы теории излучения
- •Применение инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения в медицине
- •Практическая часть Градуировка спектроскопа
- •Изучение спектра атома водорода
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Глава V. Ионизирующие излучения Лабораторная работа № 19 изучение закона радиоактивного распада и способов защиты от радиоактивного излучения
- •Теоретическая часть Введение Состав атомного ядра
- •Радиоактивность
- •Основной закон радиоактивного распада
- •Активность
- •Взаимодействие ядерных излучений с веществом
- •Дозиметрия ионизирующих излучений
- •Биологическое действие ионизирующих излучений
- •Защита от ионизирующего излучения
- •Применение радиоактивных излучений в медицине
- •Дозиметрические приборы
- •Практическая часть Описание измерителя мощности дозы (рентгенметра) дп- 5б.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Расчетные формулы:
- •Результаты измерений:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 11 изучение работы транзистора
- •Образец отчета по лабораторной работе № 12 электрические методы измерения температуры
- •Образец отчета по лабораторной работе № 13
- •Принцип работы генератора электромагнитных колебаний.
- •Лечебное применение переменного электрического тока
- •Цель работы:
- •Обеспечивающие средства:
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Часть 1. Определение индуктивности катушки и емкости конденсатора
- •Вывод по первой части работы:
- •Часть 2. Изучение режимов работы аппарата для низкочастотной электротерапии «Амплипульс-5»
- •Вывод по второй части работы:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 14
- •Полупроводниковый фотоэлемент и его
- •Применение для измерения освещенности
- •Расчетные формулы:
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 15 лазеры и их применение в медицине
- •Образец отчета по лабораторной работе № 16
- •Свойства поляризованного света.
- •Использование поляризованного света в медицине
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 17 концентрационная колориметрия
- •Вывод: образец отчета по лабораторной работе № 18 изучение спектра атома водорода
- •Расчетные формулы и формулы погрешностей:
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 19
- •Изучение закона радиоактивного распада
- •И способов защиты от радиоактивного излучения
- •Расчетные формулы:
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Вывод: заключение
Лабораторная работа № 15
ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Цель работы: изучение принципа работы лазеров и их применения в медицине.
Задачи работы: 1) определение длины волны лазерного излучения; 2) нахождение постоянной дифракционной решетки.
Обеспечивающие средства: лазер, щель, дифракционная решетка, экран.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Принципы работы лазеров
Лазер - источник электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном (или индуцированном) излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).
Принцип работы лазера основан на трех фундаментальных идеях. Первая идея связана с использованием вынужденного (индуцированного) испускания света атомными системами. Вторая идея заключается в применении термодинамически неравновесных сред с инверсной заселенностью уровней, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Третья идея состоит в использовании положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения.
Рассмотрим свободный, не подверженный внешним влияниям атом излучающей среды, который находится в возбужденном состоянии. Тогда он спонтанно (самопроизвольно) может перейти из возбужденного состояния с энергией E2 в основное (невозбужденное) состояние с энергией E1. При этом будет испущен квант света - фотон с энергией Ефотона = h = E2 – E1, где - частота испущенного излучения. Статистический, случайный характер процессов спонтанного излучения приводит к тому, что электромагнитные волны, испускаемые отдельными атомами обычных источников света, не согласованы друг с другом: они имеют разные фазы, направления распространения и поляризацию. Это означает, что спонтанное излучение обычных источников света некогерентно.
Вынужденное (индуцированное) излучение – это излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атомы среды переходят из возбуждённого состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбуждённым атомом может быть, если энергия фотона h равна разности уровней энергий атома в возбуждённом и основном состояниях: Ефотона = h = E2 – E1 (рис. 1), где - частота внешнего излучения. В этом случае после взаимодействия фотонов с атомом от атома будет распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т. е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет туже частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т. е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.
Рис.1
При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идёт процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбуждённое. В обычном состоянии невозбуждённых атомов в веществе значительно больше, чем возбуждённых, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет. Для того чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света имеет место в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбуждённому состоянию, больше, чем на нижних. Такое распределение атомов среды по энергетическим уровням называется инверсной заселённостью. Это состояние возможно только в случае термодинамически неравновесных сред.
Среда с инверсной заселенностью уровней, в которой происходит усиление, а не поглощение света, называется активной средой. По типу используемой активной среды лазеры делятся на газовые (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. д.), жидкостные, твердотельные (рубиновый, стеклянный или сапфировый) и полупроводниковые (в них в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход).
Способы создания активной среды называются накачкой лазера. Существуют различные способы накачки лазеров - оптическая накачка (облучение рабочей среды твердотельных лазеров светом мощной лампы-вспышки), возбуждение электронным ударом (в газоразрядных лазерах), химическая накачка и т. д.
Для осуществления положительной обратной связи часть генерируемого излучения должна оставаться внутри активной среды и вызывать вынужденное испускание все новых и новых возбужденных атомов. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор. Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда. Зеркала могут быть плоскими, выпуклыми или вогнутыми. Важнейшее их свойство — высокие значения коэффициента отражения. Используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие сильным отражением и почти не поглощающие света. За счет многократного отражения световых волн, распространяющихся в активной среде, от зеркал оптического резонатора, обеспечивается их многократное усиление, вследствие чего достигается высокая мощность излучения.
Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера, который работает в непрерывном режиме в видимой области спектра. Основным элементом лазера является разрядная трубка, заполненная смесью газов – гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются атомами активной среды (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной заселённости атомов неона.
На рис. 2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2. Первый возбуждённый уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбуждённое состояние 3. Таким образом, в трубке создаётся активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной заселённостью уровней.
Рис.2
Спонтанный (самопроизвольный) переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем воздействии этих фотонов с возбуждёнными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией h.
Для увеличения мощности излучения трубку 1, заполненная смесью гелия и неона, помещают в оптический резонатор, образованный зеркалами 5 и 6 ( см. рис. 3). Отражаясь от зеркал, поток фотонов проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается всё большее число атомов неона, и интенсивность генерируемого излучения лавинообразно возрастает.
Лазер работает в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркала резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении её вдоль трубки через активную среду. Поэтому очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – 98–99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим – около 0,2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.
Рис. 3
Энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, поэтому лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определённую длину волны.
Газоразрядная трубка 1 (рис. 3) с торцов закрыта плоско параллельными стеклянными пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в неё введены два электрода: анод 2 и катод 3. За счет прохождения через трубку электрического тока, в среде Не-Nе создается инверсная заселенность уровней.
Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками:
Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
Свет лазера обладает исключительной когерентностью и монохроматичностью.
Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал =10-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.